[發明專利]基于減少傳質和擴散控制的多層電極及儲能設備

在審

• 申請號: 201910277072.3
• 申請日: 2019-04-08
• 公開（公告）號: CN111799432A
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 李長明;吳超;辛程勛;辛民昌
• 申請（專利權）人: 青島九環新越新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/13;H01M10/0525
• 代理公司: 重慶航圖知識產權代理事務所(普通合伙) 50247
• 代理人: 胡小龍

本發明首先公開了一種基于減少傳質和擴散控制的多層電極，包括多層的薄層電極，相鄰兩個薄層電極之間設有可同時離子導電和電子導電的導電薄膜，該相鄰的兩個薄層電極通過導電薄膜導電連接，且薄層電極的厚度滿足：L≤kδ；其中，L為薄層電極的厚度；k為系數，且k≥1；δ為擴散控制層厚度。本發明還公開了一種基于減少傳質和擴散控制多層電極的儲能設備。通過將電極設置為多層薄層電極，可增加同時充放電的薄層電極的數量，即可有效提高比表面積，增大儲能容量；另外，通過利用擴散控制層厚度來限定薄層電極的厚度，從而使反應分子或離子等在電極內不受傳質速率的控制或大大改善傳質速率的控制，提高儲能設備的比功率以及極大地提高多孔電極的利用率。

技術領域

本發明涉及儲能設備技術領域，具體的為一種基于減少傳質和擴散控制的多層電極及儲能設備。

背景技術

現有的鋰離子電池包括正電極、負電極和隔膜，正電極和負電極之間設有電解液。根據鋰離子電池的充放電原理可知：鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。鋰電池放電需要注意幾點：第一，放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發熱，有可能會造成永久性的損害。第二，絕對不能過放電！鋰電池內部存儲電能是靠電化學一種可逆的化學變化實現的，過度的放電會導致這種化學變化有不可逆的反應發生，因此鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導致電池報廢。

在鋰離子電池充放電過程中，正電極和負電極僅有一定深度的孔表面與電解液接觸而產生鋰離子的嵌入和脫嵌，正電極和負電極的材料不能完全參與鋰離子的嵌入和脫嵌，這也是導致現有的鋰離子電池充放電電流不大的原因，不但限制了鋰離子電池的充放電容量，而且也限制了電池的充放電功率。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于減少傳質和擴散控制的多層電極及儲能設備，能夠減小傳質和擴散控制對充放電的影響，提高充放電速率，并能夠提高比表面積，增大儲能容量。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

本發明首先提出了一種基于減少傳質和擴散控制的多層電極，包括多層的薄層電極，相鄰兩個所述薄層電極之間設有可同時離子導電和電子導電的導電薄膜，該相鄰的兩個所述薄層電極通過所述導電薄膜導電連接，且所述薄層電極的厚度滿足：

L≤kδ

其中，L為薄層電極的厚度；k為系數，且k≥1；δ為擴散控制層厚度。

進一步，所述薄層電極的厚度大于等于1nm。

進一步，所述薄層電極的厚度滿足：L≤10δ。

進一步，所述薄層電極的厚度滿足：L≤5δ。

進一步，所述薄層電極的厚度滿足：L≤2δ。

進一步，所述薄層電極的厚度滿足：L≤δ。

進一步，所述導電薄膜采用允許電解液通過從而實現離子導電和交換的多孔導電材料制成。

進一步，所述導電薄膜采用但不限于多孔的碳、石墨、石墨烯、還原石墨烯或聚苯胺制成。

進一步，所述導電薄膜的厚度滿足：

L₀≤kδ

其中，L₀為導電薄膜的厚度；k為系數，且k≥1；δ為擴散控制層厚度。

進一步，所述導電薄膜的厚度大于等于1nm。